Evaluación estructural de taludes expuestos por la urbanización: Una comparación

entre el método tradicional versus el método fotogramétrico y escaneado láser Caballero-Ramírez, V. H.1 , Ramírez-Serrato, N.L.1 , Yépez-Rincón, F.D.2 , Martínez-Rodríguez, J.M.2

1 TEEBCON Servicios, Ingenierías y Proyectos S.A. de C.V. Calle Vía Vizcaya 2901. Col. Más Palomas. C.P. 64780. Monterrey, Nuevo León

viktor.caballero@teebcon.mx, nelly.ramírez@teebcon.mx 2 Facultad de Ingeniería Civil. Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL). Av. Pedro de Alba s/n. C.P. 66400. San Nicolás,

México. fabiola.yepez@gmail.com

RESUMEN El mecanismo para toma en campo de datos geológicos-estructurales en la mecánica de rocas es esencial para comprender el comportamiento del macizo rocoso. Este tipo e información es útil y necesaria en áreas donde el proceso urbanización y construcción de vivienda se hace presente y generalmente de requiere de cientos de mediciones de campo. Durante los últimos años se han desarrollado un conjunto de técnicas de percepción remota para la adquisición de datos provenientes de sensores remotos que abarcan el mapeo, monitoreo, inspección, y la obtención de datos métricos a partir del modelado 3D, con la finalidad de agilizar el trabajo de campo sin alterar el medio físico que se pretende estudiar. El presente trabajo hace una comparación entre la obtención de datos geológicos de taludes expuestos mediante el método tradicional y el de sensores remotos con fotogrametría aérea y escaneo terrestre para la toma de datos de 3 taludes compuestos de lutitas calcáreas y expuestos por urbanización en el Cerro de la Corona, en el Municipio de San Pedro Garza García dentro del Área Metropolitana de Monterrey. A) El método tradicional consistió en la toma manual de datos directo a la superficie del talud, usando una brújula azimutal para la medición de rumbos y buzamientos siguiendo la regla de la mano derecha y B) El método de sensores en una fotoreconstrucción a partir de imágenes generadas con videos 2.7k tomados con un Vehículo Aéreo No Tripulado (VANT o dron) y el escaneo LiDAR terrestre. Los datos fueron manejados como 3 grupos de información independientes. Se tomaron 300 mediciones directas en campo, se graficaron polos de los buzamientos y orientaciones de los rumbos de los taludes en estereogramas en el hemisferio inferior de la falsilla de Schmidt; mientras que con los datos obtenidos por el VANT y el escaneo LiDAR, fueron procesados para detectar las facetas, estructurar los puntos, calcular su rumbo y buzamiento y finalmente graficarlos en la falsilla del hemisferio inferior de Schmidt. Los resultados de los estereogramas muestran un coeficiente de correlación lineal cercano a 1.0 en la toma de datos individuales; así como en conjunto de los taludes tomados en las diversas laderas, por lo que se puede concluir que el resultado de utilizar la técnica fotogramétrica es de gran confianza comparado con la toma de datos estructurales manuales; así como en la determinación del comportamiento de la roca ante eventos de remoción en masa en roturas por deslizamientos planares y por volteo. Este tipo de investigaciones es de gran utilidad en zonas con alta presión de urbanizaciones que requieren de evaluaciones geoestructurales confiables y prontas alternativas de gestión o propuestas de mitigación. Palabras clave: VANT, taludes, geología estructural, fotogrametría, CloudCompare.

ABSTRACT Geologic information is taken with a frequency in the rocks mechanics to understand the behavior of the rock massif. This information is necessary in areas where the urban growth development require of hundreds of field measurements data. Remote sensing techniques has developed a set of skills for acquisition of information from remote sensors that there include the mapping, monitoring and the take of metric information from the modeling 3D, with the purpose of improving the fieldwork without altering the physical environment. In this work, we did a comparison between the acquired of geological data of slopes traditionally obtained from geological surveys techniques and remote sensors by aerial photogrammetry and terrestrial laser scanning, with the purpose to analyzed 3 slopes exposed by the urban development in El Cerro de la Corona, Mexico. A) Traditionally, surveys techniques are performed with a geological compass, measuring strikes and dips following the right hand rule, and B) Photo-reconstruction from images obtained through videos 2.7k by unmanned aerial vehicles (UAV or drone) and terrestrial LiDAR scanning. The information was process as 3 independent groups from information. 300 data were acquired for fields, the dips were represented by plotting their pole use stereographic projection onto Schmidt's lower hemisphere, while with the information obtained by the LiDAR scanning and UAV were processed to detect the facets and structure the points to calculate the strike and dip direction plotting in Schmidt net. The stereographic projection shows a linear correlation coefficient near to 1.0, using both individual and group slopes in the 3 slopes, so we conclude that the use

of photogrammetric techniques will inspire confidence compared with manual surveys to determinate the landslide mass moves along a planar surface causing slide or topple. The importance of this investigations in urban areas requires of geo-structural evaluations and urgent alternatives of guidelines and proposals to mitigate.

Keywords: UAV, structural geology, photogrammetry, LiDAR, CloudCompare.

INTRODUCCIÓN La constante presión por nuevas áreas para urbanizar, ya sea para su uso industrial o residencial requiere del conocimiento y análisis de diversos factores geológicos condicionantes (p.e. relieve y geometría, litología, propiedades hidrogeológicas del terreno, intemperismo), así como factores desencadenantes (p.e. precipitaciones y aporte de agua, cargas estáticas o dinámicas, cambio en la geometría de la ladera, acciones climáticas, deforestación); los cuales llegan a controlar las condiciones de riesgo geológico en zonas de crecimiento. Así, la constante erosión de las rocas constituye básicamente un talud en vías de erosión, fenómeno natural que se ha visto acentuado por acciones antropogénicas, así como por eventos meteorológicos y en donde se llegan a conjugar los factores como el corte de talud, con la misma orientación que el echado de las capas y fracturas; así como la urbanización del área la convierte en una zona de riesgo para el continuo crecimiento habitacional, como sucede en las colonias Residencial Chipinque y San Patricio ubicadas en el Municipio de San Pedro Garza García (Figura 1). En los últimos años se ha ido desarrollando y perfeccionando técnicas de percepción remota con la finalidad de tomar datos estructurales en campo sin alterar el medio físico que se pretende medir. Las ventajas de usar VANT´s (Vehículos Aéreos No Tripulados) es entre otras, la gran cantidad de datos que pueden ser recopilados de manera rápida, no provoca daños o impactos ambientales, no se necesita accesos terrestres ni permisos de ocupación, así como el hecho de que pueden ser los datos recopilados en áreas remotas, accidentadas o con cobertura vegetal. Un aspecto importante a tratar en el estudio del riesgo geológico es la obtención de datos estructurales de la ladera y de talud para comparar la orientación de su geometría y detectar las zonas que pudieran ser inestables en base a eso. Para este estudio se eligieron dos laderas del cerro de La Corona (Figura 2), con la intención de corroborar la factibilidad de generar este tipo de información a partir de reconstrucciones digitales en 3D de la ladera estudiada a través de métodos fotogramétricos apoyados en la cámara de alta resolución de un VANT comercial, así como una nube de puntos densa generada a partir de un escaneo LiDAR terrestre. Los datos estructurales obtenidos serán comparados con un estudio hecho directamente en campo de manera tradicional con el uso de una brújula Brunton azimutal.

Figura 1. Localización de las laderas estudiadas.

MÉTODO El presente trabajo hace una comparación entre la obtención de datos geológicos de taludes expuestos mediante el método tradicional y el de sensores remotos con fotogrametría aérea y escaneo terrestre para la toma de datos de 3 taludes. Para lograrlo, la metodología a seguir fue: A) La tradicional que consistió en la toma manual de datos directo sobre la superficie del talud, usando una brújula azimutal para la medición de rumbos y buzamientos siguiendo la regla de la mano derecha y B) El método de sensores en una fotoreconstrucción a partir de imágenes generadas con videos 2.7 k tomados con un Vehículo Aéreo No Tripulado (VANT o dron) y el escaneo LiDAR terrestre. Los datos fueron trabajados como 3 grupos de información independientes. Se tomaron 300 mediciones directas en campo, se graficaron polos de los buzamientos y orientaciones de los rumbos de los taludes en estereogramas dentro del hemisferio inferior de la falsilla de Schmidt; mientras que con los datos obtenidos por el VANT y el escaneo LiDAR, fueron procesados para detectar las facetas, estructurar los puntos, calcular su rumbo y buzamiento y finalmente graficarlos en la falsilla del hemisferio inferior de Schmidt.

A) Toma y gráficas de datos de estructuras geológicas mediante la técnica tradicional Se recopilaron 116 datos geológicos de rumbo y buzamiento medidos directamente sobre el talud en campo. Para estas mediciones, se utilizó la regla de la mano derecha, el cual consiste en la toma del rumbo colocar la brújula azimutal de tal forma que la pínula sea indique hacia la derecha en el sentido del estrato y medir entre 0º y 360º; posteriormente se mide el buzamiento perpendicularmente a la línea del rumbo entre 0 y 90º. Para representar gráficamente estas orientaciones, se utilizaron proyecciones estereográficas, la cual despliega los datos recopilados para el reconocimiento e interpretación de modelos de orientación preferencial (Lisle, R. y Leyshon, P; 2004), por este motivo, el análisis de los datos estructurales se llevó a cabo usando el programa Stereonet versión 9.5.3 de Allmendinger (2016.a). Los resultados de los buzamientos se representan como polos de los planos o taludes y mediante contornos de densidad; así como los planos de rumbo se ajustan a un Plano principal (P.p) que contenga mejor a polos de los buzamientos graficados. Para medir la consistencia en los datos tomados, se calculó el valor de correlación (v.c.), en donde mientras el valor sea más cercano a 1, tenderá los datos a tener mayor correspondencia. Estos datos se graficaron el hemisferio inferior de la proyección de Schmidt.

Obtención de datos a partir de nubes de puntos Método fotogramétrico apoyado por un VANT Éste método consiste en generar la reconstrucción de un objeto, a partir de fotografías estereoscópicas con al menos 70 % de traslape entre ellas, con la generación de una nube de puntos a partir de los puntos en común entre las imágenes con cambios de coloración y contraste. La reconstrucción del sitio se llevó a cabo desde dos vistas distintas: una aérea y una terrestre. La primera (vista aérea) se realizó con un vuelo aéreo programado utilizando el VANT, el cual voló con la cámara vertical con vista al nadir, directamente sobre el suelo. Con este vuelo se consiguió la información de elevación del suelo y objetos de la superficie, lo que se conoce como un DSM. Las imágenes obtenidas contienen información GPS, de tal modo que el modelo resultante esta referenciado espacialmente. La segunda nube de puntos, correspondiente a la vista terrestre, se obtuvo a partir de un vuelo realizado a lo largo de la ladera, con la cámara fija de manera horizontal, haciendo algunos enfoques en las zonas que fueran necesarias y complementando con algunas vistas aéreas tomando la ladera con la cámara alrededor de los 45° hacia la ladera. Los videos fueron posteriormente seccionados en fotografías, las cuales no contaban con información de referencia. La referencia de la nube de puntos terrestres se realizó tomando como base la nube de puntos obtenida del vuelo aéreo, alineando las imágenes con puntos de coincidencia entre ambas nubes, el número de fotografías que finalmente se usaron se encuentra en la Tabla 1. Método LiDAR Este método realiza la reconstrucción digital de los objetos a través de tecnología láser. El sensor LiDAR proyecta un rayo láser hasta que este incide sobre el objeto y entonces es regresado al aparato, el sensor proyecta este punto en base al tiempo que tarda el rayo en regresar. El resultado es una nube de puntos que se encuentra escalada con respecto al aparato, para referenciarla espacialmente se utilizó como base la nube de puntos generada durante las misiones aéreas, referenciando en base a puntos en común entre ambas nubes. Tabla 1. Información detallada de las nubes de puntos utilizadas en la reconstrucción a partir del método fotogramétrico y del sensor LiDAR.

Ladera Chipinque Ladera San Patricio

Fotos aéreas 42 41

videos 2 2

Fotos vista terrestre 588 565

Puntos antes del corte (Vista terrestre) 1.1.- 5,179,530 1.2.- 2,526,261

3,403,321

Puntos después del corte (vista terrestre) -- 2,019,663

Puntos vista aérea (misión) 23,292,625 21,662,472

Figura 2. Mapa de estructuras geológicas en el cerro de La Corona. Reconocimiento de fracturas Las nubes de puntos fueron procesadas utilizando el software CloudCompare a través del plugin Facet/Fracture detection, lo que realiza este proceso es detectar todas las facetas presentes en la nube, cada faceta es una cara en la estructura, son puntos que comparten la misma orientación dentro de un rango, cuando se sobrepasa ese rango se genera otro polígono que corresponde a otra faceta. Obtenidas las facetas estas toman la referencia espacial de la nube de puntos, cada polígono tiene información sobre la dirección en la que están buzando con respecto al norte y su inclinación con respecto a un plano horizontal. Los datos se obtuvieron en formato csv para ser procesados en el programa Stereonet.

RESULTADOS Ladera Chipinque La ladera Chipinque está localizada hacia el SE del cerro de La Corona (Figura 2), en las coordenadas UTM 14R 363585.49 E y 2835565.05 N; en donde el corte de la roca está formado por lutitas variando de color de café ocre por intemperismo a gris claro en muestra fresca (Figura 3). Esta ladera está formada por lutitas y calizas, en donde se tomaron 72 datos de talud a lo largo de 240 metros de ladera expuesta. Como se observa en la Figura 2; las estructuras geológicas presentan una dirección aparente de estratificación con rumbo y buzamiento en 310/30, y con un talud en 209/80 bidireccional y planos de foliación con rumbo de 180/81 que cortan a la estratificación; y fracturas conjugadas con direcciones 120/80 y 330/80.

Figura 3. A) Ladera 1 formada por lutitas foliadas. B) Estructuras geológicas medidas a lo largo de la

Ladera 1, como lo son fracturas (líneas verdes), foliación (líneas rojas) y talud (polígono amarillo). C) Aproximación al talud (polígono amarillo), en donde se observa las distintas orientaciones del

fracturamiento de la lutita. En esta ladera, los 72 datos medidos directos en campo muestran un Plano Principal (P.p.) con una orientación de rumbo y buzamiento en 209/80 (Figura 4), y con un valor de correlación (v.c.) de 0.7880. Los polos de los buzamientos muestran una dispersión de orientaciones hacia el NW y SE en las gráficas de Schmidt, debido a las bidirecciones de los taludes en ambas orientaciones.

Figura 4. Estereograma de Schmidt correspondiente a los datos del talud obtenidos para Ladera Chipinque.

El levantamiento realizado por el dron en esta ladera obtuvo 1341 datos de taludes que fueron procesados por el programa CloudCompare para detectar las orientaciones de las facetas de los taludes reconocidos. El resultado fue ingresado al programa Stereonet, en donde se obtuvo una orientación promedio en el Plano principal de 208/42 y con un v.c. de 0.5835 (Figura 5), donde el valor de correlación se explica a la gran cantidad de datos detectado y su ponderación dada, esto es; un talud de 2 mts de largo, recibe el mismo peso como faceta que un talud de 0.30 m.

Figura 5. Estereograma de Schimdt para los datos obtenidos por el dron para la Ladera San Patricio.

Ladera San Patricio La Ladera San Patricio está ubicada en las coordenadas UTM 14R 364487.85 E y 2836189.20 N (Figura 2), en donde las rocas están formadas por lutitas calcáreas de intemperismo grisácea oscura a verde y grisácea en roca fresca (Figura 6). En esta ladera se tomaron 44 datos de talud a lo largo de 30 metros de ladera expuesta. El rumbo del talud presenta una orientación de 317/63 con inclinaciones hacia el NE que van de 36 a 88º. La orientación de los estratos presenta un P.p. en 311/36 hacia la misma inclinación del corte de talud, por lo que lo vuelve inestable al tener la misma dirección de inclinación al corte (Figura 2 y 6). Los datos tomados de foliación presentan un P.p. en 131/80 con inclinaciones hacia el SW. 4

Figura 6 A) Estructuras geológicas medidas en campo para Ladera 2, como lo son talud (polígono

amarillo), estratificación (┬), fracturas (líneas verdes). B) Talud de Ladera 2 donde se observa el constante desprendimiento de rocas del talud (polígonos azules).

Para los estereogramas de Schmidt obtenidos de los datos manuales, se observa el Plano Principal (P.p.) con dirección de rumbo y buzamiento en 317/61 (Figura 7), y con un valor de correlación (v.c.) de 0.9011. Los 44 datos tomados manualmente son muy consistentes como lo demuestra el alto valor de correlación.

Figura 7. Estereograma de Schmidt correspondiente a los datos del talud obtenidos para Ladera San Patricio.

Los 396 datos recopilados por la misión programada del dron obtenidos por el procesado del programa CloudCompare se ingresaron al Stereonet para comparar ambos resultados, obteniendo una orientación del P.p. en 317/63, con un v.c. de 0.8589 (Figura 8), lo que muestra un alto valor de correlación y similar al procesado por el programa CloudCompare.

Figura 8. Estereograma de Schimdt para los datos obtenidos por el dron para la Ladera San Patricio.

También se obtuvieron 7874 datos LiDAR (Figura 9), ingresado al programa Cloud Compare el resultado de las facetos fueron graficados en el programa Stereonet para su comparación con respecto a tomados en campo y para su visualización en el mismo sistema de gráficas. El resultado de mismo talud expuesto presenta una orientación de P.p. en 319/61, con un v.c. de 0.8353, el cual es alto para la cantidad de datos graficados.

Figura 9. A) Estereograma obtenido mediante datos LiDAR, y B) Estereograma de Schmidt con los datos

LiDAR. Los datos tomados con el método tradicional, comparado con los obtenidos con el dron y con datos LiDAR procesadas en Stereonet muestran una similitud alta (diferencia de 2º en rumbo y 2º en buzamiento). Los datos graficados en ambos programas son muy consistentes tanto en rumbo como buzamiento, y con valores de correlación altos a pesar de la gran cantidad de datos graficados.

CONCLUSIONES La toma de datos de las estructuras se analizó el riesgo por inestabilidad de laderas, en donde se observa que para la Ladera Chipinque el principal factor para estos movimientos de remoción en masa es el fracturamiento por cuñas en dirección favorable al corte de talud, así que como para la Ladera San Patricio, el factor a considerar es el corte del talud, ya que está favorecido por la dirección de los estratos que puede provocar fenómenos de deslizamientos.

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